Documents de Physique-Chimie M. MORIN

Transcription

1 1 Thème : Lois et modèles Partie : Energie, matière et environnement. Cours 31 : Transferts quantiques d énergie. I. Quantification des niveaux d énergie de la matière. 1. Modèle corpusculaire de la lumière : le photon. Nous avons vu en classe de 2 nde que la lumière peut être décrite comme une onde électromagnétique. C'est-àdire qu elle peut se propager sans milieu matériel Einstein introduit la notion de photon. Les photons sont des «paquets» d'énergie élémentaires appelés "quanta". 2. Energie du photon. Chaque photon transporte une énergie E = h E s exprime en Joule est la fréquence (Hz) h est une constante universelle appelée constante de Planck. h = 6, J.s Autre expression de l énergie transportée par un photon : La fréquence est l inverse de la période T or T = λ donc = c C λ s'exprime en mètre (m). e alors E= hc λ c est la célérité de la lumière dans le vide. c = 3,0 x 10 8 m.s -1 Exemple de calcul d énergie transportée par un photon : Un photon «rouge» a une longueur d onde = 700 nm. Il se déplace à la vitesse de la lumière c = 3,0 x 10 8 m.s -1 Son énergie est égale à E = On constate que la valeur est très petite. Les physiciens utilisent une autre unité pour les énergies transportées par des particules : l électron-volt (ev). Un électron-volt est l énergie d un électron soumis à une tension de 1,0 V. 1 ev = 1, J Alors l énergie (en ev) transportée par le photon rouge est égale à E =.

2 2 3. Echange d énergie avec un photon. Niels Bohr en 1913 émis les hypothèses suivantes : L'énergie de l'électron est fixée et ne prend que des valeurs précises (on dit qu elle est quantifiée). Les radiations ne sont émises ou absorbées que si un électron passe d'une orbite à l'autre. (transition électronique). Par convention, les énergies des électrons sur les différentes orbites sont négatives. Par convention, L énergie de l électron situé sur la plus basse orbite a la valeur la plus négative. On appelle cet état, l état fondamental E0. Dans cet état, l électron est particulièrement stable car très lié au noyau. Quand les électrons sont sur des orbites plus éloignées du noyau, ils sont dans des états excités. Leurs niveaux énergies ont des valeurs comprises entre E0 et 0. Ces niveaux d énergie sont quantifiés, c'est-à-dire qu ils ont des valeurs discrètes (discontinues). Un électron qui n est plus rattaché au noyau a une énergie égale à 0. Exemple de schémas représentant les niveaux énergies des électrons sur les différentes orbites de l atome de mercure. Problème : Un électron d un atome de mercure passe d'un niveau énergétique E1 = -4,99 ev à un niveau E = -10,44 ev. a- L'atome perd-il ou gagne t-il de l'énergie?. b- Cette transition énergétique s'accompagnera-t-elle d'une émission ou d'une absorption d'une radiation lumineuse? c- Quelle est la valeur de la différence d énergie E entre ces deux niveaux d énergies? Attention au signe!... d- Quelle est la valeur de la longueur d'onde de cette radiation lumineuse? 1 ev = 1, J e- Est-elle visible?

3 3 II. Dualité onde-corpuscule. 1. Photon et onde lumineuse. Insuffisance du modèle ondulatoire. Au début du 20 ème siècle, la nature ondulatoire de la lumière est presque unanimement admise. Il est clair qu il s agit d une onde électromagnétique. Toutefois les résultats de nouvelles expériences viennent bouleverser ces certitudes. Activité documentaire. Source Académie d Orléans. Interaction Lumière Matière : émission, absorption De façon générale, les atomes ont tendance à s associer pour former des molécules stables par mise en commun d électrons. Lorsque la lumière arrive sur la matière, ces atomes et molécules peuvent réagir de diverses manières : absorption, fluorescence, transmission, réfraction, réflexion, diffusion. Nous allons nous intéresser à deux de ces phénomènes : tout d abord l absorption par la matière de photons et d électrons et ensuite la fluorescence L effet photoélectrique. Expérience de Hertz (1887). En 1886, Heinrich Hertz réalise l expérience intitulée «effet photoélectrique» : une plaque de zinc, décapée, montée sur un électroscope est chargée, puis éclairée par la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure (émettant un rayonnement riche en UV, visible et IR) ou par une lampe à UV. Voir l animation : %20EXPERIENCES%20%20DE%20%20HERTZ.htm L expérience comporte trois étapes : 1 ère étape : Initialement la plaque de zinc et l'électroscope sont chargés négativement : l aiguille de l électroscope dévie. Puis la plaque de zinc est éclairée. L aguille revient dans sa position initiale. Interpréter : 2 ème étape : La plaque de zinc est rechargée négativement et une plaque de verre est interposée entre la lampe et le zinc. L aiguille n est pas déviée. Interpréter : 3 ème étape : La plaque de zinc est chargée positivement, puis éclairée. Que va-t-il se passer?

4 Conclusion de l expérience de Hertz. Heinrich Hertz a alors découvert que la lumière ultraviolette provoque l émission d électrons à partir d une surface métallique comme le zinc. On peut alors se demander comment on peut extraire un électron d un métal : Un métal est constitué par un réseau cristallin d'ions positifs entre lesquels circulent des électrons liés au réseau, mais libres de se déplacer à l'intérieur de ce réseau. - A l aide du diagramme énergétique d un électron, proposer une explication à l effet photoélectrique. - Quelle énergie minimale doit recevoir un électron pour être libéré? Le diagramme énergétique illustre que : - C'est à l intérieur du métal que l électron a le moins d'énergie, car il est lié au réseau ; - Lorsque l électron a capté l énergie E = Ws, il est sorti du métal, mais il est au repos (Ec = 0) ; - Lorsque l'électron a capté une énergie E > Ws, il est sorti du métal et a une énergie cinétique Ec = E Ws. Energie minimale que doit recevoir un électron pour être libéré. On pourrait s'attendre à ce qu'un faisceau de forte puissance apporte l'énergie suffisante pour extraire des électrons. Mais l expérience monte qu il existe une valeur minimale d énergie caractéristique de la surface métallique, en dessous de laquelle aucun électron n est éjecté. L énergie cinétique de l électron libéré dépend-elle de l intensité de la lumière ou l énergie du photon (c est-à-dire de sa fréquence)?

5 5 2. Modèle corpusculaire. Pour expliquer l'effet photoélectrique, il faut renoncer au modèle ondulatoire de la Physique Classique et recourir au modèle corpusculaire de la lumière (hypothèse d'einstein, 1905) Modèle corpusculaire de la lumière (hypothèse d'einstein) : Un rayonnement électromagnétique de fréquence ν peut être considéré comme un faisceau de particules : les photons. Il postule l existence de quanta d énergie. Chaque photon transporte l'énergie E = h où h représente la constante de Planck. Albert EINSTEIN (1879/1955), physicien allemand, reçoit en 1921 le prix Nobel de physique pour son apport à la physique théorique et particulièrement son explication de l effet photoélectrique Interprétation de l'effet photoélectrique à l'aide du modèle corpusculaire. - Comment un électron peut-il acquérir de l énergie pour devenir libre? - Que se passera-t-il si l énergie fournie à l électron par le photon est inférieur à son travail de sortie? égal à son travail de sortie, supérieure à son travail de sortie? Réponses Il existe donc un seuil pour l effet photoélectrique. 3. La fluorescence et la phosphorescence. On ne confondra pas la fluorescence avec la phosphorescence. Quelle est la différence entre fluorescence et phosphorescence? Interpréter le schéma ci-dessous. Donner des exemples dans la vie courante A VOIR /

6 6 III. Particule matérielle et onde de matière ; Relation de Broglie. En 1923, alors que les scientifiques ont prouvé que la lumière peut se comporter comme une onde ou comme des particules. Louis de Broglie émet l hypothèse que l on peut associer une onde à des particules matérielles comme les électrons. 1. Relation de Louis de Broglie. La relation de Louis de Broglie associe une onde de longueur d onde à une particule matérielle de quantité de mouvement p telle que : = h p constante de Planck h = 6, J.s : longueur d onde de la particule (m) P : quantité de mouvement (kg.m.s -1 ) Effectuer une analyse dimensionnelle afin de montrer l homogénéité de cette relation. Non seulement la lumière peut être décrite sous la forme d une particule (le photon) transportant une énergie E = h, mais une particule peut être également décrite comme une onde de longueur d onde. 2. Longueur d onde d un électron en mouvement dont l énergie cinétique est EK = 54 ev. Dans un premier temps, on détermine l expression de la quantité de mouvement de l électron en fonction de l énergie cinétique. On a p = mv et EK = 1 2 mv2 Soit p =.. En appliquant la relation de Louis de Broglie, on a = h p = =.. h 2mE K 3. Une application en recherche : le microscope électronique. Source : Les microscopes optiques sont limités dans leur résolution R car elle dépend entre autre de la longueur d'onde selon la relation suivante : R = 0,61λ. La résolution évalue la capacité à séparer des détails très n.sinu voisins. n : indice du milieu et u : angle du faisceau d'électrons (demi grand angle au sommet) 0,61 : coefficient lié à la diffraction. est la longueur d'onde du rayonnement = h p pour un rayonnement de particule de masse m et de vitesse v.h : constante de Planck

7 7 On notera la résolution obtenue avec un faisceau d électrons R1 et celle obtenue avec un faisceau lumineux R2. Après avoir calculé le rapport des résolutions R 2 R 1, expliquer pourquoi, il est intéressant d utiliser un faisceau d électrons de longueur d onde 1 = 0,17 nm plutôt qu un rayonnement visible de longueur d onde égale à 2 = 600 nm par exemple pour l observation au microscope. On considérera que les conditions expérimentales sont identiques, c est-à-dire que que n.sinu est constant pour les deux faisceaux. 4. Mise en évidence de l aspect quantique des phénomènes quantiques. Expérience d interférences photon par photon, particules de matière par particule de matière. Source : Nathan TS Les deux aspects corpusculaires et ondulatoires sont-ils compatibles? L expérience consiste à envoyé des photons un par un sur deux fentes parallèles. Remarque : il n est pas possible de savoir par quelle fente un photon va passer. Qu observez-vous? En quoi les figures d interférences obtenues montrent le caractère probabiliste du phénomène? En quoi ces résultats montrent le comportement ondulatoire et particulaire du photon? Réponses :